不同灌溉方式旱田土壤N2O 排放和氮素淋溶特征

于亞澤,焦 燕*,楊文柱,宋春妮,于俊霞,劉立家,張 婧,劉宇斌 (1.內蒙古自治區環境化學重點實驗室,內蒙古 呼和浩特 010022；2.內蒙古師范大學化學與環境科學學院,內蒙古 呼和浩特 010022)

我國是化肥施用大國,每年施用的化肥達到6000 萬t,但大量研究表明,我國農田化肥氮素的利用率只有35%[1-3],其余部分通過進入大氣環境或水環境從而污染環境.其中,旱田土壤N2O 排放和氮素淋溶是兩種重要的損失途徑,其中土壤N2O 排放占全球總量的60%[4],施入的氮肥大約1%～20%經土壤淋溶進入地下水[5].因此,如何減少N2O 排放及氮素的淋溶成為國內外研究的熱點.

近年來,內蒙古地區馬鈴薯種植面積逐漸增加,播種面積成為全區僅次于玉米的主要作物. 農民在種植馬鈴薯過程中施入大量氮肥從而引起N2O 排放,灌溉方式也是影響N2O 排放和氮素淋溶的重要條件,不同的灌溉方式會影響土壤理化性質和土壤結構,造成土壤通透性、土壤中微生物活性等發生改變,從而對影響N2O 排放的硝化、反硝化過程及氮素淋溶量產生影響[6-7].有研究表明,滴灌與傳統溝灌相比,N2O 累積排放量可以降低30%～40%[8-9],但有學者研究得出,與溝灌相比,由于灌溉頻率高有利于形成從而加劇了N2O 的排放[10].且N2O 排放量隨施氮量的增加而增加[11-12].氮素淋溶是氮肥損失的另一重要途徑,王肖娟等[13],樊兆博等[14]研究得出傳統溝灌與滴灌相比氮素損失明顯增加,這是由于高灌水量增加了氮素向深層土壤運移的潛力,使地下水環境受到污染[15].滴灌與傳統溝灌相比,可以使土壤中水分、養分均勻分布,達到農田局部集中施肥和灌水的效果,肥料的利用率大幅提高,降低了因過量施肥而造成的環境污染問題[16].

目前,國內外研究多集中于施肥量、灌溉方式單因素對N2O 排放和氮素淋溶的影響,且多集中于水田[17-20],對于內蒙古干旱半干旱地區旱田土壤N2O排放及氮素淋失的影響研究較少,本研究通過水肥兩因素多水平的交互作用對內蒙古旱田土壤N2O排放及氮素淋溶的研究,探究不同季節N2O 排放特征,不同季節、不同土壤深度氮素淋溶量和分布特征,有助于了解旱田土壤的氮循環機制,為全球緩解溫室效應和減少地下水污染提供理論基礎.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗田位于內蒙古呼和浩特市郊區馬鈴薯試驗基地(40°45′34″N,111°41′56″E),該地區平均海拔1045.4m,屬中溫帶大陸性季風氣候.多年平均氣溫6.7℃,多年平均降水量 335.2～534.6mm,全年降水主要集中在夏季(7～8 月),占全年降水量的70%以上.年蒸發量2000mm 左右,太陽輻射強,晝夜溫差大,年均日照時間多于2629.8h,無霜期134d.灌溉水源為地下水,水質符合灌溉水質標準.土壤類型為栗鈣土,其基本理化性質見表1.

表1 試驗區土壤基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of soil in the experimental area

1.2 試驗設計

供試作物馬鈴薯品種為“克新一號”脫毒原種馬鈴薯,試驗于2018 年和2019 年5～9 月進行.試驗設6 個處理,分別為DCK(滴灌無肥)、DD(滴灌+N 500kg/hm2)、DG(滴灌+N 1000kg/hm2)、FCK(溝灌無 肥)、FD(溝灌+N 500kg/hm2)、FG(溝 灌+N 1000kg/hm2),尿素作氮肥,每個處理重復3 次,采用隨機區組設計,每個小區種植8 壟馬鈴薯,壟間距為90cm,壟高30cm,壟長11.2m.播種前施馬鈴薯專用復合肥(N-P-K:12:19:16) 347kg/hm2作為基肥,滴灌方式6 月開始分次追施尿素,溝灌方式于7 月份追肥,肥料單次施入.

表2 2018 年和2019 年馬鈴薯生長季灌水管理表Table 2 Water management practices during the growth periods of 2018～2019

整個生長季滴灌、溝灌的灌溉總量分別設置為956 和6167m3/hm2,為防止各處理小區間躥水、躥肥,各小區間設置3 條無施肥、灌溉措施的壟進行隔離.滴灌處理下滴灌帶平鋪于滴灌小區內,出水孔位置位于馬鈴薯植株附近10cm 處,采用水肥一體化的灌溉方式,于馬鈴薯播種后灌溉一次,灌水量控制為4.9m3/hm2,追肥期具體灌溉時間見表2,并于收獲前10d 停止灌溉.溝灌處理下,灌水方式為壟中大水漫灌,以水到壟頂為準,于馬鈴薯播種后及7 月中旬各大水灌溉一次,施肥方式為撒施.2018年和2019年整個馬鈴薯生長季單次灌水量如表2 所示.

1.3 測定項目及方法

1.3.1 N2O 采集和分析 N2O 的采集采用靜態密閉箱法,采樣箱由頂箱和底座組成,頂箱長寬高分別為50cm,用塑料泡沫包裹箱體外,便于混合氣體,在頂箱內部安裝小風扇使箱內氣體均勻,整個箱體粘滿密封條以保證箱體的密封性,頂箱側面裝有溫度傳感器、氣體樣品接頭以及風扇接頭,底座由作物播種后埋入地下.頂箱與底座配合使用,于作物種植前安放于壟上,并保持位置不變.為保證小區內土壤N2O 排放量盡可能均勻,各小區采樣箱均放置在小區中央位置,罩住一顆馬鈴薯苗,并保證每個小區在灌水時水壓保持一致.采樣前,往底座內注入充足的水以保證頂箱和底座之間的密封性,采樣時,將頂箱放置于底座上,然后分別在 0,5,10,15,20min 用100mL 帶有三通頭的注射器抽取箱內氣體80mL 帶回實驗室用于N2O 濃度的分析.于馬鈴薯種植一周后進行采樣,每周采集一次,采集時間一般為8:00～11:00.注射器中的樣品用Agilent 6890 氣相色譜儀進行N2O 濃度的測定.

土壤N2O 排放通量計算公式為[21]:

式中:F 為N2O 排放通量,μg/(m2?h);H 為采樣箱高度,cm; M 為溫室氣體的摩爾質量,g/mol; dc/dt 為采樣箱內N2O 氣體含量隨時間變化的斜率;T 為采樣箱箱內溫度,℃; P為采樣時大氣壓,kPa; P0為標準大氣壓,kPa,P/P0≈1;V0為標準狀態下N2O 的摩爾體積,單位為L.

土壤N2O 累積排放量計算公式為[21]:

式中:C 為N2O 累積排放量,kg/hm2;n 為采樣次數;Fi、Fi+1分別為第i 次和第i+1 次采樣時N2O 排放通量,μg/(m2?h); ti+1-ti為2 次采樣時間間隔,d.

1.3.2 土壤溶液的采集和測定 在各小區內將負壓式土壤溶液提取裝置提前 1 個月分別在40cm、80cm 深度埋設,埋設前,用直徑為15cm 的土鉆鉆取土壤后采集 0～20cm 表層土壤測定-N 含量、NH4+-N 含量測定.土壤pH 值取40、80cm 的埋設孔,將提取裝置的陶土頭放入孔內,通過灌漿使陶土頭與土壤緊密接觸.播種后,取樣前,將土壤溶液提取裝置抽取真空,馬鈴薯溉后進行采集,在灌溉、降雨后連續采集土壤溶液,采集后迅速酸化帶回實驗室于當天進行分析測定,并在取樣當天記錄滲漏水量及降雨量. 2018 年為氮素淋溶實驗開始第1a,只在DG、FG 埋設土壤溶液提取裝置, 2019 年DCK、DD、DG、FCK、FD 和FG 均埋設土壤溶液提取裝置. 2018 和2019 年采樣分別于8 月8 日和8 月16 日提取不出土壤溶液結束.

水樣中硝酸鹽氮含量由雙波長紫外比色法[22]測定,銨態氮含量由納氏試劑法[23]進行測定.

土壤溶液氮素累積淋溶量計算公式為[24]:

式中:NL為氮素累積淋溶量,kg/hm2;Ci為第i 次采樣時-N或NH4+-N濃度,mg/L;V為土壤溶液體積,L;3.14×10-2為監測區域面積,m2.

1.3.3 土壤樣品的采集和測定 2a 馬鈴薯田土壤樣品于馬鈴薯生長季每月采集一次(5～10 月),每個處理設置3 個平行,按5 點采樣法在每個小區采集耕層0～20cm 土壤樣品,避光風干后磨碎過2mm 篩進行pH 值、SOC、容重、含水量、采用便攜式pH 測定儀器[25]進行測定.土壤中SOC 采用重鉻酸鉀-油浴加熱法[26]進行測定,土壤容重采用環刀法[27]進行測定,土壤含水量采用烘干法[28]進行測定,土壤-N 含量采用紫外分光光度法[29]測定,NH4+-N含量采用氯化鉀浸提-靛酚藍比色法[30]測定.土壤孔隙度由土壤容重和土壤比重求得:

式中:Pt(%)為土壤孔隙度,%,rs為土壤容重,g/cm3;ds為土壤比重,g/cm3.

1.4 數據分析

采用Excel 進行數據處理,SPSS 25.0 進行統計分析和差異顯著性檢驗,作圖運用Origin 2018 軟件.

2 結果與分析

2.1 降雨與氣溫

2018 年和2019 年5～9 月的平均降水量變化范圍分別為4.14～44.90mm 和3.89～33.12mm,2018、2019 年降水均主要集中在7、8 月份(圖1).2a 內日平均氣溫變化范圍分別為13～23℃和13～21℃,氣溫高峰值多出現在7 月份.

圖1 2018 和2019 年日平均氣溫和降水量變化Fig.1 Changes of daily average temperature and precipitation in 2018 and 2019

2.2 旱田土壤N2O 排放通量季節變化特征

由圖2 所示,2 種灌溉方式和不同施肥量處理下N2O 排放通量動態變化趨勢一致,在馬鈴薯整個生長季內,N2O 排放高峰多集中在7、8 月.圖2a 表明,2018 年滴灌的N2O 排放通量2 次排放高峰出現在7月18日和8月8日,DD及DG峰值分別為450.2,1266.0 和381, 1104μg/(m2?h).圖2b 表明,溝灌的排放高峰出現時間與滴灌相同,7 月18 日和8 月8 日FD、FG峰值分別為5191.7,7528.7和1272, 3697μg/(m2?h).DG、FG 峰值分別為DD、FD 峰值3 倍左右.由圖2c、2d 可知,2019 年滴灌、溝灌排放峰值出現時間與2018 年相似,兩次排放峰值出現在7 月26 日和8月9 日,7 月26 日DD、DG、FD 和FG 峰值分別為281, 961.8, 921.35, 1778.25μg/(m2?h);8 月9 日峰值分別為485.9, 1098.4, 460.2, 1197.35μg/(m2?h).DG、FG峰值分別為DD、FD 峰值2～3 倍.滴灌灌溉方式下排放峰值明顯低于溝灌,且N2O 排放通量隨施氮量增加而增加.

圖2 2018 和2019 年滴灌和溝灌方式下N2O 排放通量變化Fig.2 Changes of N2O emission flux under drip or furrow irrigation in 2018 and 2019

2.3 滴灌和溝灌方式下旱田土壤N2O 累積排放量、排放強度及排放系數

表3 為不同灌溉方式和施氮水平對旱田土壤N2O 排放影響雙因素方差分析結果.結果表明,不同灌溉方式、不同施氮水平對旱田土壤N2O 排放影響具有極顯著差異(P＜0.01),而灌溉方式和施氮水平的交互作用對 N2O 排放影響無顯著差異(P＞0.05).

表3 不同灌溉方式和施氮水平對旱田土壤N2O排放影響雙因素方差分析Table 3 ANOVA for N2O emissions from arid soils under different irrigation methods and N addition levels

滴灌和溝灌下2018、2019 年N2O 累積排放量如圖3(a)所示.2018 年和2019 年滴灌和溝灌方式不同施氮量下N2O 累積排放量具有顯著差異,N2O 累積排放量都隨施氮量的增加而增加,2018 和2019 年DCK、DD、DG N2O 累積排放量分別為1.30, 4.54,11.16kg/hm2和 1.52, 3.79, 9.69kg/hm2,均表現為DG＞DD＞DCK,FCK、FD、FG 分別為 2, 23.79,45.73kg/hm2和2.08, 6.23, 13.93kg/hm2,均表現為FG＞FD＞FCK;溝灌處理下N2O累積排放量顯著高于滴灌.2018 和2019 年DCK、DD、DG 分別與FCK、FD、FG 相比降低了35%、80.9%、75.6%和26.7%、66.4%、21.5%.2018 年不同灌溉方式下N2O 累積排放量顯著高于2019 年.

圖3 不同年度滴灌和溝灌方式下土壤N2O 情況Fig.3 Cumulative N2O emissions and emission intensity from upland soils under drip or furrow irrigation in different years

圖3(b)為N2O 排放強度,2018 年DCK、DD、DG、FCK、FD、FG 排放強度分別為0.05, 0.08, 0.19,0.09, 0.61, 1.17kg N/t,2019 年分別為0.06, 0.07, 0.17,0.10, 0.18, 0.39kg N/t,同一灌溉方式不同施肥處理之間N2O 排放強度存在顯著差異(P＜0.05). DCK、DD、DG 與FCK、FD、FG 相比N2O 排放強度分別減少了44.4%、86.9%、83.8%和40%、61.1%、56.4% .兩種灌溉方式下,2018年和2019年各個處理N2O 排放強度年際差異與累積排放量變化趨勢一致,均為滴灌方式下N2O 排放強度小于溝灌,隨施氮量增加N2O 排放強度增加,2018 年N2O 排放強度高于2019 年.

從N2O 排放系數來看,不同施氮量、不同灌溉方式之間存在顯著差異(P＜0.05),2018、2019 年DD、DG 排放系數分別為0.65%、0.99%和0.45%、0.82%,均低于IPCC 默認值1%,FD、FG 排放系數分別為4.36%、4.37%和0.83%、1.19%,除2019 年FD 處理外均高于IPCC 默認值1%,2019 年各處理N2O 排放系數明顯低于2018 年,滴灌與溝灌相比有效降低了N2O 排放系數.

2.4 滴灌和溝灌方式旱田土壤氮素淋溶量變化

圖4 2018 和2019 年不同灌溉方式下不同深度土壤溶液中NO3--N 濃度Fig.4 NO3--N concentration in soil solutions of different soil profiles under different irrigation methods in 2018～2019

圖4c、d 表明,除FD40外,DCK、DD、FCK 和FD不同深度土壤溶液NO3--N濃度均表現為隨時間的變化而降低且滴灌處理下低于溝灌處理:DCK ＜FCK, DD＜ FD,40cm 和80cm 土壤溶液濃度變化范圍分別為0.07～1.82, 0.06～5.53, 0.05～4.81, 3.56～5.8和0.02～1.76, 0.01～3.92, 0～4.29, 0.32～4.55mg/L.

圖5 2018 和2019 年不同灌溉方式下不同深度土壤溶液中NH4+-N 濃度Fig.5 NH4+-N concentration in soil solutions of different soil profiles under different irrigation methods in 2018～2019

圖5 表明,滴灌和溝灌下不同深度土壤溶液NH4+-N 濃度變化趨勢一致,均隨時間的變化逐漸降低.由圖5(a)、(b)可知,2018 和2019 年整個采樣期DG 40cm 和80cm 土壤溶液濃度變化范圍分別 為 0.10～1.26,0.06～1.1 和 0.05～0.70, 0.03～0.45mg/L, FG 分別為 0.11～3.53, 0.06～1.56 和0.22～11.22, 0.03～6.85mg/L.兩年內DG、FG 40cm深度銨態氮濃度均大于80cm 深度處濃度,滴灌方式較溝灌均降低了銨態氮濃度.圖5c、d 表明,在整個采樣期,DCK、DD 不同深度NH4+-N 濃度始終維持在較低水平,在40 和80cm 土壤溶液濃度變化范圍分別為0.03～0.45, 0.02～0.38 和0.02～0.62, 0.04～0.58mg/L;而FCK、FD 較DCK、DD而言NH4+-N 較高,在40 和80cm 土壤溶液濃度變化范圍分別為 0.33～0.90, 0.05～0.39,和 0.51～3.20, 0.19～3.05mg/L.

2.5 不同灌溉方式下旱田土壤氮素累積淋溶量

如表4 所示,不同灌溉方式、不同施氮水平及灌溉方式和施氮水平的交互作用對旱田土壤氮素淋溶量影響均具有極顯著差異(P＜0.01).由圖6 可以看出,2018 和2019 年滴灌和溝灌方式下土壤溶液氮素累積淋溶量具有明顯差異(P＜0.01),且不同土壤深度氮素淋溶量也具有顯著差異(P＜0.01),兩種灌溉方式下-N 氮素淋溶量占主導作用NH4+-N 始終處于較低水平.由圖6a 可以看出,2018 年DG40、DG80、FG40、FG80累積淋溶量分別為33.34, 5.14, 52.88,13.93kg/hm2,其中,以NO3--N 形式淋溶占總累計淋溶量分別為89.86%、81.52%、87.52%、95.05%,DG 與FG 相比,以NO3--N 形式在40cm 和80cm 深度土壤溶液淋溶量分別降低了35.26%和68.35%,以NH4+-N形式分別降低了48.79%和27.37%;由圖6b 可以看出,2019 年滴灌同樣有效降低了氮素淋溶量,DG40、DG80、FG40、FG80累積淋溶量分別為9.05, 3.43, 53.29,28.4kg/hm2,以NO3--N 形式淋溶占總累積淋溶量分別為90.94%、92.71%、68.17%、84.82%,在40cm 和80cm 深度NO3--N 和NH4+-N 形式分別降低了77.35%、95.17%和86.80%、94.20%.2019 年與2018年相比氮素淋溶量有所降低.圖6(c)、(d)表明,DCK、FCK 無機氮淋溶量無顯著差異(P＜0.05),而DD 與FD具有顯著差異(P＜0.01),2019 年DCK40、DCK80、FCK40、FCK80、DD40、DD80、FD40、FD80累積淋溶量分別為4.33, 1.73, 5.31, 2.57, 4.62, 1.26, 10.47,2.57kg/hm2,以NO3--N 形式淋溶占總累積淋溶量范圍為74.32%～89.02%,DD 與FD 相比,以NO3--N 形式在40 和80cm 深度土壤溶液淋溶量分別降低了57.64%和 54.93%,以 NH4+-N 形式分別降低了46.34%和32.8%.兩種灌溉方式下,累積淋溶量隨施氮量的增加而增加,滴灌無機氮累積淋溶量明顯低于溝灌,且40cm 深度土壤溶液累積淋溶量低于80cm.

表4 不同灌溉方式和施氮水平對旱田土壤氮素淋溶量影響雙因素方差分析結果Table 4 ANOVA for nitrogen leaching from arid soils under different irrigation methods and N addition levels

圖6 2018 和2019 年滴灌和溝灌方式下不同深度無機氮累積淋溶量Fig.6 Cumulative leaching amount of inorganic nitrogen from different soil profiles under drip or furrow irrigation in two years

2.6 滴灌和溝灌方式下N2O 排放影響因素

本研究選取了可能影響N2O 排放的9 個環境因子(pH 值、SOC、孔隙度、容重、含水量、降水頻率、灌水頻率、NO3--N 和NH4+-N)對其進行主成分分析,如圖7 所示,根據特征值大于1 的原則選取了影響旱田土壤N2O 排放的有兩類主要因子,累積貢獻比達到87.32%,其中主成分1 貢獻比為59.66%,主成分2 貢獻比為27.66%.由圖7 可知,主成分1 與NO3--N、含水量、降水頻率和孔隙度具有正相關性,相關系數分別為0.689、0.284、0.596 和0.296,與pH值、SOC、容重、灌水頻率和NH4+-N 呈負相關,相關系數分別為-0.429、-0.239、-0.351、-0.446 和-0.245;主成分2 與NH4+-N、SOC、降水頻率、灌水頻率和含水量呈正相關,相關系數分別為0.269、0.622、0.183、0.258 和0.518;與pH 值、容重、NO3--N和孔隙度呈負相關,相關系數分別為0.092、-0.461、-0.122 和-0.189.其中,NO3--N 和降水頻率在主成分1 上的投影長于其他環境因子,說明NO3--N 含量和降水頻率是影響N2O 排放的主要因素,其他環境因子投影長度比較短,說明其對土壤N2O 排放貢獻低于NO3--N 含量和降水頻率.

圖7 環境因子對N2O 排放影響的主成分分析Fig.7 Principal component analysis of environmental factors influencing of nitrous oxide emission

2.7 滴灌和溝灌方式下氮素淋溶量影響因素

本研究選取了土壤pH 值、SOC、容重、含水量、孔隙度、NO3--N、NH4+-N、灌水頻率和降水頻率9 個可能影響氮素淋溶量的因子作主成分分析,結果如圖8 所示.影響旱田土壤氮素淋溶量的有兩類主要因子,累積貢獻比達到81.40%,其中主因子1貢獻比為53.20%,主因子2 貢獻比為28.20%.主成分1 與孔隙度、NO3--N、NH4+-N、及降水頻率呈正相關,相關系數分別為0.152、0.598、0.146 和0.697,與pH 值、SOC、容重、含水量和灌水頻率呈負相關,相關系數分別為-0.421、-0.235、-0.289、-0.411和-0.729;主成分2 與pH 值、SOC、孔隙度、NH4+-N呈正相關, 相關系數分別為0.127、0.591、0.579 和0.086,與容重、含水量、NO3--N、降水頻率和灌水頻率呈負相關,相關系數分別為-0.529、-0.198、-0.402、-0.177 和-0.188.降水頻率和灌水頻率在主成分1 上的投影長于其他環境因子,說明其為影響氮素淋溶量的主要因素,其他因子投影長度比較短,說明其對旱田土壤氮素淋溶量貢獻低于降水頻率和灌水頻率.

圖8 環境因子對氮素淋溶量影響的主成分分析Fig.8 Principal component analysis of environmental factors influencing of nitrogen leaching amounts

3 討論

3.1 灌溉方式對N2O 排放的影響

N2O 排放被土壤發生的硝化反應和反硝化反應所影響,而土壤的硝化、反硝化會由于不同的灌溉方式引起土壤理化性質的變化而改變[31].目前,關于滴灌和溝灌方式N2O 排放研究結論不一致.有研究表明,由于溝灌與滴灌相比,土壤孔隙含水率更高,會產生抑制反硝化反應的環境,使其排放的N2O 較滴灌相比減少[32];也有研究表明,滴灌方式下N2O 排放有效減少是由于硝化反應起主導作用[33],而反硝化反應主要發生在溝灌方式下,從而促進了N2O 排放.本研究表明,在施氮量相同條件下,滴灌有效降低了N2O 排放量,且在整個馬鈴薯生長季排放高峰主要集中在7、8 月,研究結果與Liu[34]等研究結果一致,這可能是由于滴灌方式下土壤含水量低于溝灌(圖9),反硝化反應被抑制,從而減少了N2O 的排放,而排放高峰主要出現在7、8 月可能是由于內蒙古地區屬于半干旱地區,全年降水主要集中在7、8 月,降水后,土壤表面濕潤,土壤含水量顯著增加,微生物活性加強,加速了土壤有機質的礦化,而NH4+作為硝化反應的反應底物,NO3-作為反硝化反應的反應底物[35],且內蒙古地區全年高溫天氣集中于7、8 月,高溫高濕的土壤環境促進了反硝化反應進行從而增加了N2O 排放量.

圖9 2018 年和2019 年土壤體積含水量變化Fig.9 Changes of soil volume water content in 2018～2019

Khalil 等[36],郝慶菊等[37]和黃樹輝等[38]研究表明,我國南方水稻田釋放N2O 量很少, N2O 平均排放通量范圍為0～116.5μg/(m2?h),遠低于本研究旱田土壤N2O平均排放通量,水稻田釋放N2O 較少是因厭氧條件下N2O 最終變成N2后才排入大氣,而旱田土壤N2O 排放量大是因為受灌溉方式、溫度、降雨等條件的影響,土壤微生物活性增強加速反硝化反應進行.

2a 內滴灌方式下不同施氮處理N2O 排放系數為0.45%～0.99%,均小于IPCC 推薦的農田N2O 排放系數1%,溝灌方式下除2019 年低肥處理均大于IPCC 推薦的農田N2O 排放系數1%.不同的學者關于N2O 排放系數有不同的研究結果,謝立勇[40]研究得出N2O 排放系數為0.23%～0.57%,也有一些學者的研究結果高于本文結果,Ding[41]研究得出N2O 排放系數為8.6%,遠遠大于本實驗結果.由上可知,本試驗排放系數處于中等水平,高施氮量、降雨量以及高溫天氣綜合作用, N2O 排放總量增多導致N2O 排放系數大于IPCC 推薦的農田N2O 排放系數1%,

滴灌方式下排放系數小可能是因為水肥一體化的灌溉模式使馬鈴薯對氮素更高效的吸收.還有報道指出,同樣施肥處理下質地偏砂的土壤N2O 排放量或排放系數較高[42],本文研究區域土壤為砂壤土,這也可能為N2O 排放系數大的一個原因.

本文通過主成分分析得出影響N2O 排放的主導環境因子為土壤NO3--N 含量和降水頻率,土壤降水頻率和N2O 排放呈顯著正相關,這與前人的研究一致.Bateman 等[43]的研究表明,降水后土壤硝化反硝化作用會由于土壤通氣性改變和礦質氮底物增加而導致N2O 排放量大幅度增加;同樣,Bateman 等[43]和Davidson 等[44]和Zhang 等[45]的研究指出,在降水頻率較低時,N2O排放量很少,隨著降水頻率的增加,N2O排放呈現逐漸增強的趨勢.這一現象的出現可能是由于隨降水頻率增加土壤含水量增大,導致土壤中O2含量急劇下降增強了反硝化作用,從而使N2O 排放量明顯增加.姜珊珊等[46]的研究表明,在施肥處理的土壤上N2O 排放與硝態氮濃度有明顯的相關性,姚志生等[47]的研究也表明,硝態氮濃度與N2O 排放具有較明顯的相關性,本文中,土壤NO3--N 含量也與N2O 排放呈現正相關關系,這與前人的研究結果一致.

3.2 不同灌溉方式下降水對氮素淋溶影響

氮素淋溶是農田用于作物生長施入的氮肥的一個重要損失途徑,灌溉、降雨、施肥是影響氮素淋溶的重要因素[48].本文結果為在整個采樣周期土壤溶液硝態氮、銨態氮濃度均呈現逐漸降低的趨勢,且隨施氮量的增加濃度逐漸升高,以NO3--N 形式淋溶為主,這是因為過高的施氮量,使硝酸根離子過多的殘留在土壤而導致硝酸鹽的大量淋失,這與王百群[49]研究結果一致.本研究表明,灌溉方式相同的條件下,氮素淋溶量隨土壤深度的增加而減少,這與孫震[50]的研究結果一致,這可能是由于氮素隨土壤溶液向下運移的過程中土壤膠體具有吸附作用,將無機氮吸附在土壤中從而使深層土壤溶液氮素淋溶量降低.灌溉方式的不同也會引起氮素淋溶量的差異.Yu 等[51]的研究發現,節水灌溉(滴灌)較傳統灌溉(溝灌)相比可有效減少氮素淋溶量,這可能是由于滴灌方式下灌水強度小使水分向下運移的能力減弱,本文試驗結果對此進行了印證,得出結論也是滴灌方式下氮素淋溶量顯著低于溝灌.本文與水田[52]相比氮素淋溶量較低,這可能是因為稻田采用淹水灌溉模式,灌水量大導致收集到的淋溶液體積大幅度增加且氮肥隨灌溉水向下運移的量增加.降雨是影響氮素淋溶的一個重要因素,2019 年氮素淋溶量低于2018 年,這是因為2018 年內蒙古地區頻繁降水,而2019 年降水頻率、降水量明顯低于2018 年.降雨后,土壤中氮素大部分以無機氮(主要為硝酸鹽氮、銨態氮)形式淋溶[53],且硝酸鹽氮占主導作用,氮素淋溶后土壤溶液中硝酸鹽氮濃度明顯高于銨態氮濃度,本文得出了一致的結論,這是因為土壤膠體具有吸附作用,銨態氮容易被土壤膠體吸收而硝酸鹽氮在降雨后容易隨土壤溶液運移不易被吸收.

4 結論

4.1 不同灌溉方式、不同施氮量對N2O 排放和氮素淋溶量具有極顯著影響,滴灌與溝灌相比可有效降低N2O 排放;同一灌溉方式下,N2O 排放量隨施氮量的增加而增加;土壤NO3--N 含量、降水頻率是影響N2O 排放的主要環境因素.

4.2 以無機氮形式淋溶的氮素以NO3--N形式為主,滴灌與溝灌相比可明顯降低旱田土壤氮素淋溶量,隨土壤深度的增加淋溶量減少,2019 年氮素淋溶量低于2018 年;降水頻率和灌水頻率是影響氮素淋溶量的主要環境因素.

4.3 節水灌溉(滴灌)與傳統灌溉(溝灌)相比,有效減少N2O 排放和氮素淋溶量,提高肥料利用率的同時減少了對環境的污染.